Modul F2.003: Belastninger fra is og drivgods på sikringsanlegg

Denne modulen er en støttemodul til fase 2: Prosjektering av tiltak mot flom og erosjon.

Det oppstår isganger når vannføringen blir tilstrekkelig stor slik at isdekker, på islagte partier, sprekker opp og flyter nedover i vassdraget, se figur 1. Dette er typisk for vårisganger. Også i isleggingsperioden på vinteren kan en isdam av bunnis bryte sammen og øke vannføringen nedover i vassdraget. Er det flere isdammer, kan også de nedenforliggende dammene løsne. Dette er typisk for vinterisganger. Ismassen fra disse isgangene kan samle seg til en propp og skape problemer på ulike vis.

Som en del av grunnlaget for prosjekteringen av tiltak mot flom og erosjon bør du skaffe deg informasjon om isforholdene i vassdraget – og spesielt for den strekningen som du prosjekterer. 

Typiske spørsmål er:

• Er det normalt isganger på strekningen?
• Hva er vannstandsnivå ved isganger?
• Er det erfaring for at isen setter seg fast i området som en ispropp (figur 2)? Eventuelt hvor?
• Hva skjer når isen eventuelt setter seg fast? Høy vannstand? Overstrømning? Nye løp?
• Dannes det sarr og bunnis i elva (figur 3 og 5)?
• Kan isdekket fryse fast i steinsikringen (figur 4)?
• Er vassdraget regulert? Hvordan påvirker reguleringen isforholdene?

Produksjonen av is er sterkt varierende fra vassdrag til vassdrag, og det påvirker omfanget av problemene som isen skaper i vassdragene. Regulering av vassdragene er også noe som påvirker isforholdene. I NVE rapport 20/2010 Hvordan is i vassdrag dannes kan du lese mer om isdannelse og isløsning i vassdrag, samt hvordan vassdragsreguleringer påvirker isen i norske vassdrag.

Videre er det spesielt nyttig å snakke med lokalkjente for å skaffe deg informasjon om situasjonen lokalt. For eksempel om hvor isen tradisjonelt setter seg fast. Under finner du også video 1 og 2 som viser insganger i henholdsvis Repparfjordelva og Ogna.

Video 1: Filmen over viser isgang i Repparfjordelva, Hammerfest kommune, Troms og Finnmark, 10. mai 2009. (Video: Filmet av Bjørn Moberg, publisert av NVE, YouTube)

Video 2: Filmen over viser isgang i Ogna, Steinkjer kommune, Trøndelag, februar 2019. (Video: Filmet av Siv Johansen Råde, publisert av NVE, YouTube)

Hvordan du unngår de største belastningene fra is i bevegelse

Det eksisterer lite informasjon om dimensjonering av flom- og erosjonssikringsanlegg av stein i forhold til iskrefter. Vi har erfart at is i bevegelse kan hekte seg fast i konstruksjonen eller i tilstøtende terreng. Vann og is i bevegelse, som bygger seg opp bak den utsatte strekningen, kan påføre konstruksjonen enorme belastninger. 

Rådet er derfor å konstruere tiltaket på en såpass strømlinjeformet måte at isen glir forbi uten å sette seg fast. I tillegg bør grusører og utstikkende terreng på motsatt side av tiltaket, ofte i innersvinger, begrenses i utbredelse. Dette for å minske sannsynligheten for at isen grunner opp, setter seg fast og skyves mot sikringsanlegget. 

Den høye vannstanden under isganger gjør at isen treffer et stykke opp i skråningen, og støtkreftene fra isen blir da størst i selve skråningen. Ofte vil derfor variasjoner i linjeføringen i nederste del av skråningen ikke påvirke faren for at isen skal sette seg fast. På den måten kan tiltaket utformes slik at det likevel skapes strømningsvariasjoner for å ta hensyn til fisk og vassdragsmiljø.

Konstruksjoner på tvers av strømretningen (dynamiske krefter)

For brupilarer og andre konstruksjoner på tvers av isens bevegelsesretning kan isganger representerer store krefter som kan ødelegge eller skade til og med de mest solide konstruksjoner.

Flom- og erosjonssikringsanlegg kan bli utsatt for denne type krefter i krappe yttersvinger der ismassene ikke greier å følge svingen, men trykker direkte inn i elvesiden. Det er vanskelig å dimensjonere anlegget for en slik situasjon.

Du kan foreta en forenklet beregning for slike krefter, blant annet American Petroleum Bulletin 2N,1982 sin formel. Mer om dette kan du lese i Vassdragshåndboka kapittel 3.7.2  Dynamiske iskrefter på konstruksjoner.

Video 3: Filmen viser isgang i Beiarelva, Nordland, februar 2019. (Video: Filmet av Bjørn Trones, publisert av NVE)

Video 4: Filmen viser isgang i Breiarelva, Nordland, 27. februar 2019. (Video: Filmet av Bjørn Trones, publisert av NVE)

Belastninger på islagte strekninger

Spylekrefter under isdekket

På slake strekninger der det etablerer seg isdekke, kan det ved spesielle forhold dannes sarr under isen. Sarr fortrenger det effektive strømningstverrsnittet og bidrar til økt hastighet og erosjon langs elvesidene/sikringsskråningene. Figur 3 illustrerer denne situasjonen. Slike spylekrefter opptrer også når vannføringen er stigende og vannet presses under et fastfrosset isdekke, eller blir fortrengt av ismasser som delvis dekker elvetverrsnittet. Dette må du ta hensyn til ved fastsettelse av steinstørrelse. Les mer om dette i avsnittet Steinstørrelser i denne modulen.

Isen fryser fast i steinkledningen

På slake elvestrekninger, i innsjøer og i reguleringsmagasin, kan is fryse fast i skråningen ved langvarig permanent vannstand, se figur 4. Ved endringer i vannstanden, som for eksempel ved flom og regulert vannføring, kan isen dra med seg steiner fra sikringen. Det eksisterer lite beregningsgrunnlag for denne situasjonen. Erfaringsmessig vil større stein og slak skråning være fordelaktig. Strukturen og dermed styrken i isen vil brytes ned jo lengre utover våren den blir liggende. Dette kan det bli tatt hensyn til på regulerte strekninger.

Termiske krefter fra isdekket

Ved isdekker som er frosset fast til sikringsanlegget kan isen skape trykk mot anlegget ved at isen utvider seg på grunn av temperaturendringer. I praksis vil en sikring bygget av stein ikke få skader som følge av termiske krefter, fordi det er en plastisk konstruksjon.

Belastning på terskel fra bunnis og mulig tiltak

Et vanlig problem er at det i isleggingstiden bygger seg opp is på terskelkroner, ved at underkjølt sarr treffer terskelen og fryser momentant, se figur 5. Terskelhøyden øker og erosjonspåkjenningen blir større ved terskelfoten nedstrøms. Isen på toppen av terskelkrona vil også øke påkjenningen på terskelkrona, både på grunn av isens oppdrift, men også strømmens vippeefekt. Brudd i isdammer er en vanlig årsak til vinterisganger.

For å redusere slike problemer viser erfaring at det er gunstig å bygge en markert dyprenne i terskelen, slik at vintervannføringen samles i et begrenset løp. 

Is som fryser fast på terskelkrona, og blir utsatt for isganger, kan flytte steiner slik at det blir skader på terskelen. Terskelen oppnår større styrke ved at krona får en buet fasong mot strømmen, samtidig som steinene tilpasses godt. Vi oppnår dermed en lignende virkning som for en velvbru. Det styrker også konstruksjonen å bolte steinene sammen, både mot underliggende steiner og sideveis. Ulempen med bueformen er at strømkonsentrasjonen kan skape farlige situasjoner for padlere og badende i elva om sommeren. Det er vanskelig å komme seg ut av strømvirvelen innerst i buen. Foredeler og ulemper av bueformene må vurderes fra sted til sted.

Når elva islegges stopper sarrdannelsen. I regulerte vassdrag med utslipp av "varmt" vann vil det være sarrdannelse i kuldeperioder gjennom hele vinteren, med ny oppbygging av isdammer.  

For å ivareta normal belastning fra is som skurer langs tiltaket, må du øke steinstørrelsen mer enn det du beregner fra hydrauliske krefter. Det er vanlig å legge på en sikkerhetsfaktor 1,2–1,5 for å ivareta dette. En sikkerhetsfaktor på 1,5 vil også sikre at spylekrefter fra vann under isdekker ivaretas i sikringen.

Videre anbefaler vi slakest mulig skråningsvinkel. Ikke brattere enn 1:2, helst 1:3. I erosjonssikringer utført med ordnet steinlag anbefaler vi velgraderte masser, og i plastrede flater må steinene legges med god innbyrdes låsing. Les mer om belastning fra is i  Vassdragshåndboka kapittel 3.7.

Forsøk fra USA gir også anbefalinger om beregning av steinstørrelser ut fra isens tykkelse. Du kan lese mer om iskrefter på flom- og erosjonsanlegg i Vassdragshåndboka kapittel 3.7.2.

Is i vassdrag fører til høyere vannstand enn tilsvarende vannstand når det er isfritt. I denne modulen påpekes bare problemet. Vi anbefaler å kontakte isfaglig ekspertise for å få råd om forholdene og hvordan dimensjoneringen bør være.

Overvann på etablert isdekke

På slake strekninger i elva der det dannes isdekke, kan det ved spesielle situasjoner fraktes isklumper og sarr under isdekket som samler seg opp og reduserer det effektive tverrsnittet for strømmende vann. Dette kan forårsake overvann og oversvømmelser på land, slik figur 6 illustrer.

Ispropp

Når isgangen stopper opp, dannes det ofte en propp av is på en strekning av vassdraget. Vannet vil finne nye veier for avrenning, enten oppå eller rundt ismassene. Dette kan skape oversvømmelse på land, som igjen kan føre til betydelige skader på eksempelvis dyrket mark, på veier og i bebygde områder. Figurene 7, 8 og 9 viser et eksempel på en slik situasjon i Surna ved Sande.

Hvis det er erfaring med at ismasser, under isganger, setter seg fast i området som skal sikres, kan du vurdere å gjøre tiltak som fører isen videre forbi det utsatte området. Det kan du gjøre ved å skape større vanndybde for isen, og dermed bedre flyt. Eksempel på tiltak som du kan vurdere er å:

• grave dypere bunn
• redusere utbredelsen av ørmasser
• og/eller heve terrenget på sidene

Husk imidlertid at de forbedringene som gjøres ett sted, kan skape nye problemer andre steder ettersom isen blir ført videre nedover. Dette må vurderes i hvert enkelt tilfelle. Vi anbefaler at du kontakter isfaglig ekspertise ved slike gjennomgripende tiltak. Dette gjelder både for dimensjonering, men også og for konsekvensvurdering.

Isdammer

På terskler og bratte partier kan bunnis bygge opp bunnen/terskelkrona og dermed gi en høyere flomlinje i en periode. Les mer i avsnittet Belastning på terskel fra bunnis – tiltak i denne modulen.

Svellis

Når vann i sakte bevegelse fryser kompakt med underlaget blir det svellis, slik situasjonen i figur 10 viser. Det skjer særlig når det er lite snø og sterk kulde og lav vannføring. Mindre elver og bekker er mest utsatt. Elveleiet fylles da opp med kompakt svellis og vannet må finne seg andre veier. Ofte er resultatet oversvømmelse på land. Det vil hjelpe å øke høyden på elvebreddene, men dette løser ikke alltid problemet.

Graving av en markert djupål vil redusere overflaten og redusere isdannelsen, men kunstig gravde djupåler fyller seg ofte igjen i flommer.

Drivgods i norske elver kan i prinsippet være alt som blir tilført elva, og som flyter. Eksempelvis campingvogner og trær, vist i figur 11 og 12. Dersom drivgods treffer sikringsanlegget vil det skape støtkrefter mot anlegget.

For sikringstiltak av stein- og løsmasser, der selve sikringsanlegget har god støtte i terreng/fylling, trenger du normalt ikke å dimensjonere steinsikringen ekstra, ettersom støtkreftene fra drivgods er moderate.

Drivgods kan imidlertid tette varegrinder og kulverter og øke behovet for bruhøyde. I mindre vassdrag kan trær og røtter kile seg fast og bli oppsamlingssted for annet drivgods. Dette stuer opp vannlinja eller øker vannhastigheten lokalt. Dermed kan belastningen på bunn og sider øke på utsatte steder. Det kan være lurt å lete etter løsninger for å redusere omfanget av drivgods. Likeså utforme tiltaket ditt tilstrekkelig glatt slik at man unngår å lage feller for oppsamling av drivgods. Drivgods kan grunne opp på ører eller andre utsatte steder i vassdraget. Her må du vurdere om dette kan føre til redusert vannhastighet og dermed høyere vannstand. Du må i hvert enkelt tilfelle, vurdere om det er behov for å øke høyden på konstruksjonen, ut fra faren for vannstandsheving fra drivgods. Eventuelt lete etter andre løsninger for å unngå problemene som skapes av drivgods. 

For sikringstiltak bygget opp av frittstående murer av betong eller annet, og for mobile flomvern (figur 13), skal kreftene tas opp som innspenning i foten/fundamentet, eller fra støttekonstruksjoner i bakkant. For å dimensjonere konstruksjonen vil det være nødvendig å ta hensyn til både strømkrefter fra drivgods, støt- og trykkrefter fra is, samt vann- og strømkrefter. Det samme gjelder tosidige natursteinmurer som opptrer som stive konstruksjoner.

I denne modulen går vi ikke nærmere inn på størrelsen av disse kreftene, eller hvordan denne typen konstruksjoner dimensjoneres. 

NVE (2010) Vassdragshåndboka - Håndbok i vassdragsteknikk. red. Fergus, T, Hoseth, K. A, Sæterbø, E. Trondheim: Tapir Akademisk Forlag.

NVE (2010) Hvordan is i vassdrag dannes. Rapport nr. 20/2010. Oslo: Norges vassdrags- og energidirektorat.

NVE (2017). Is og vanntemperatur. Tilgjengelig fra: https://www.nve.no/hydrologi/is-og-vanntemperatur/?ref=mainmenu (Hentet: 19. februar 2020).

Varsom Regobs (2020). Tilgjengelig fra: https://www.regobs.no/ (Hentet: 19. februar 2020).

Varsom Iskart (2020). Tilgjengelig fra: https://iskart.no/ (Hentet: 19. februar 2020).

Trygstad, Andreas N. (2019). Det høres ut som flere timer langt tordenvær. NRK.no. Tilgjengelig fra: https://www.nrk.no/nordland/sjeldent-fenomen-setter-tonnevis-med-ismasser-i-bevegelse-1.14451005 (Hentet: 3. desember 2019).